DE112014006817T5

DE112014006817T5 - Transducer element and method of manufacturing a transducer element

Info

Publication number: DE112014006817T5
Application number: DE112014006817.9T
Authority: DE
Inventors: Kurt Rasmussen
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2017-03-30
Also published as: JP6394932B2; WO2016008532A1; US20170156008A1; JP2017522814A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wandlerelement (1), das ein Substrat (5) umfasst, das einen Hohlraum (23), der sich durch das Substrat (5) erstreckt, eine Rückplatte (3), die im Hohlraum (23) des Substrats (5) angeordnet ist, und eine Membran (2), die relativ zur Rückplatte (3) beweglich ist, umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Wandlerelement (1).The present invention relates to a transducer element (1) comprising a substrate (5) having a cavity (23) extending through the substrate (5), a backplate (3) formed in the cavity (23) of the substrate (3). 5), and a diaphragm (2) movable relative to the backplate (3). Furthermore, the present invention relates to a manufacturing method for a transducer element (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wandlerelement und ein Herstellungsverfahren für ein Wandlerelement.The present invention relates to a transducer element and a manufacturing method for a transducer element.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Wandlerelement bereitzustellen, das einen einfacheren Herstellungsprozess ermöglicht und/oder das einfacher mit einem Flip-Chip-Prozess auf ein Substrat zu montieren ist, z.B. aufgrund von reduzierter Eigenspannung.It is an object of the present invention to provide an improved transducer element which allows a simpler manufacturing process and / or which is easier to mount on a substrate by a flip-chip process, e.g. due to reduced residual stress.

Dieses Ziel wird durch ein Wandlerelement nach Anspruch 1 und durch ein Herstellungsverfahren für ein Wandlerelement nach dem zweiten unabhängigen Anspruch erreicht.This object is achieved by a transducer element according to claim 1 and by a manufacturing method for a transducer element according to the second independent claim.

Es wird ein Wandlerelement bereitgestellt, das ein Substrat umfasst, das einen Hohlraum, der sich durch das Substrat erstreckt, eine Rückplatte, die im Hohlraum des Substrats angeordnet ist, und eine Membran, die relativ zur Rückplatte beweglich ist, umfasst.There is provided a transducer element comprising a substrate comprising a cavity extending through the substrate, a backplate disposed in the cavity of the substrate, and a membrane movable relative to the backplate.

Das Wandlerelement kann eine MEMS-Vorrichtung sein. Das Wandlerelement kann konfiguriert sein, ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Insbesondere kann das Wandlerelement konfiguriert sein, einen Schalldruck zu messen, der an das Wandlerelement angelegt wird. Die Membran kann als Reaktion auf einen Schall, der an das Wandlerelement angelegt wird, relativ zur Rückplatte bewegt werden. Dementsprechend kann das Wandlerelement in einem MEMS-Mikrofon verwendet werden.The transducer element may be a MEMS device. The transducer element may be configured to convert an acoustic signal to an electrical signal. In particular, the transducer element may be configured to measure a sound pressure applied to the transducer element. The membrane may be moved relative to the backplate in response to sound applied to the transducer element. Accordingly, the transducer element can be used in a MEMS microphone.

Die Membran und die Rückplatte können einen Kondensator bilden, wobei die Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit von einem Schalldruck, der an das Wandlerelement angelegt wird, variabel ist.The membrane and the backplate may form a capacitor, the capacitance of the capacitor being variable in response to a sound pressure applied to the transducer element.

Der Hohlraum ist eine Öffnung, die sich von einer oberen Oberfläche des Substrats zu einer unteren Oberfläche des Substrats erstreckt. Die obere Oberfläche kann zur Membran hingewandt sein und die untere Oberfläche kann von der Membran weggewandt sein. Der Hohlraum kann ferner eine Aussparung umfassen, die an der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Die Aussparung des Substrats kann eine Vertiefung sein, die in der oberen Oberfläche des Substrats gebildet ist. Insbesondere kann der Bereich des Substrats außerhalb der Aussparung flach sein, und die Aussparung kann relativ zum flachen Bereich von der Membran weg versetzt sein.The cavity is an opening extending from an upper surface of the substrate to a lower surface of the substrate. The upper surface may face the membrane and the lower surface may face away from the membrane. The cavity may further include a recess disposed on the upper surface of the substrate. The recess of the substrate may be a recess formed in the upper surface of the substrate. In particular, the region of the substrate may be flat outside the recess and the recess may be offset away from the membrane relative to the flat region.

Insbesondere kann die Rückplatte in der Aussparung angeordnet sein, die einen Teil des Hohlraums bildet.In particular, the back plate may be disposed in the recess forming part of the cavity.

Das Anordnen der Rückplatte im Hohlraum des Substrats bietet verschiedene Vorteile. Es ermöglicht, die Topographie des Wandlerelements zu reduzieren. Die Topographie ist als die maximale Höhendifferenz zwischen Kontaktpads des Wandlerelements definiert. Das Substrat, die Rückplatte und die Membran sind jeweils mit einem Kontaktpad verbunden, so dass eine Spannung für das jeweilige Element bereitgestellt wird. Der Ausdruck „Höhe“ bezieht sich auf die Höhe des jeweiligen Elements, die von der unteren Oberfläche des Substrats aus gemessen ist.Placing the backplate in the cavity of the substrate offers several advantages. It makes it possible to reduce the topography of the transducer element. The topography is defined as the maximum height difference between contact pads of the transducer element. The substrate, the back plate, and the diaphragm are each connected to a contact pad so as to provide a voltage for the respective element. The term "height" refers to the height of the respective element measured from the lower surface of the substrate.

Durch Anordnen der Rückplatte im Hohlraum wird ein Wandlerelement konstruiert, bei dem die Höhendifferenz zwischen den Kontaktpads des Substrats und der Rückplatte sehr gering ist, da die Rückplatte und das Substrat eine ähnliche Höhe aufweisen. Dementsprechend ist die Topographie des Wandlerelements reduziert. Eine reduzierte Topographie ergibt reduzierte Eigenspannungen, wenn das Wandlerelement mit einer Flip-Chip-Technik auf ein Substrat montiert wird. Ferner wird die Bondbarkeit des Wandlerelements dadurch verbessert.By arranging the backplate in the cavity, a transducer element is constructed in which the height difference between the contact pads of the substrate and the backplate is very small, since the backplate and the substrate have a similar height. Accordingly, the topography of the transducer element is reduced. A reduced topography results in reduced residual stresses when the transducer element is mounted on a substrate with a flip-chip technique. Furthermore, the bondability of the transducer element is thereby improved.

Zudem reduziert das Anordnen der Rückplatte im Hohlraum des Substrats die Menge an Oxid wesentlich, die zur Isolation und zur Planarisierung des Wandlerelements benötigt wird. Nur der Hohlraum muss teilweise mit einer Oxidschicht bedeckt sein. Insbesondere müssen nur Teile der Aussparung mit einem Oxid bedeckt sein. Diese Anordnung ermöglicht es, eine Oxidschicht wegzulassen, die die gesamte obere Oberfläche des Substrats bedeckt. Da keine Oxidschicht, die die gesamte obere Oberfläche des Substrats bedeckt, benötigt wird, wird die Druckspannung, die typischerweise durch eine Oxidschicht auf ein Wandlerelement ausgeübt wird, wesentlich reduziert. Dementsprechend wird keine Kompensationsschicht für die Druckspannung auf der Rückseite des Substrats benötigt. Da keine Kompensationsschicht auf der Rückseite benötigt wird, kann der Schritt des Ausdünnens des Substrats zum Ende des Herstellungsprozesses verschoben werden. Dementsprechend ist es möglich, die meisten Herstellungsschritte mit einem relativ dicken Wafer auszuführen, der in CMOS-Prozessumgebungen wesentlich leichter zu handhaben ist.In addition, placing the backplate in the cavity of the substrate substantially reduces the amount of oxide needed to insulate and planarize the transducer element. Only the cavity must be partially covered with an oxide layer. In particular, only parts of the recess need to be covered with an oxide. This arrangement makes it possible to omit an oxide layer covering the entire upper surface of the substrate. Since no oxide layer covering the entire top surface of the substrate is needed, the compressive strain typically exerted by an oxide layer on a transducer element is substantially reduced. Accordingly, no compensation layer for the compressive stress on the back of the substrate is needed. Since no compensation layer on the backside is needed, the step of thinning out the substrate may be postponed to the end of the manufacturing process. Accordingly, it is possible to perform most manufacturing steps with a relatively thick wafer that is much easier to handle in CMOS process environments.

Wie oben diskutiert, hat die reduzierte Menge an Oxid, die zur Isolation und zur Planarisierung des Wandlerelements benötigt wird, geringere Druckspannungen zur Folge, die auf das Wandlerelement ausgeübt werden. Dementsprechend wird eine Wölbung eines Wafers, aus dem das Wandlerelement hergestellt wird, reduziert. Diese Wölbung wird auch als die Waferwölbung bezeichnet. Das Wandlerelement wird aus einem Wafer hergestellt. Insbesondere werden mehrere Wandlerelemente gleichzeitig aus einem Wafer hergestellt. Die reduzierte Waferwölbung reduziert auch Materialbruch während der Herstellung, so dass der Herstellungsprozess zuverlässiger wird und weniger fehlerhafte Produkte hergestellt werden.As discussed above, the reduced amount of oxide needed to insulate and planarize the transducer element results in lower compressive stresses applied to the transducer element. Accordingly, warpage of a wafer from which the transducer element is manufactured is reduced. This vault will too referred to as the wafer curvature. The transducer element is made from a wafer. In particular, a plurality of transducer elements are simultaneously produced from a wafer. The reduced wafer curl also reduces material breakage during manufacturing, making the manufacturing process more reliable and producing fewer defective products.

Ein anderer Vorteil des Anordnens der Rückplatte im Hohlraum ist, dass die Gesamtmenge von druckausübendem Oxid, das auf der Substratoberfläche angeordnet ist, reduziert wird. Demzufolge wird keine Oxidschicht auf der unteren Oberfläche des Substrats benötigt, um die Spannung auszugleichen, die auf die obere Oberfläche des Substrats ausgeübt wird. Dementsprechend wird die Konstruktion eines Wandlerelements mit einer reduzierten Höhe ermöglicht. Dadurch wird ein sehr kompaktes Wandlerelement bereitgestellt, das in Anwendungen mit begrenztem verfügbarem Platz vorteilhaft ist.Another advantage of placing the backplate in the cavity is that the total amount of pressure-exerting oxide disposed on the substrate surface is reduced. As a result, no oxide layer is needed on the bottom surface of the substrate to balance the stress exerted on the top surface of the substrate. Accordingly, the construction of a transducer element having a reduced height is enabled. This provides a very compact transducer element that is advantageous in limited space applications.

Die Rückplatte kann entweder eine untere Rückplatte in einem Wandlerelement mit einer doppelten Rückplatte oder die alleinige Rückplatte in einem Wandlerelement mit einer einzigen Rückplatte sein. Die Rückplatte ist relativ zum Substrat nicht beweglich. Die Membran ist typischerweise so an dem Wandlerelement befestigt, dass sich ein Außenbereich der Membran nicht in einer Richtung senkrecht zur Rückplatte bewegen kann. Ein Innenbereich der Membran, der an den Außenbereich angrenzt, ist jedoch in einer Richtung senkrecht zur Rückplatte beweglich.The backplate may be either a lower backplate in a transducer element having a dual backplate or the sole backplate in a single backplate transducer element. The back plate is not movable relative to the substrate. The diaphragm is typically attached to the transducer element such that an outer region of the diaphragm can not move in a direction perpendicular to the backplate. However, an inner portion of the diaphragm adjacent to the outer portion is movable in a direction perpendicular to the back plate.

In einer Ausführungsform umfasst das Substrat eine obere Oberfläche, die zur Membran hingewandt ist, und umfasst die Rückplatte eine obere Oberfläche, die zur Membran hingewandt ist, wobei die obere Oberfläche des Substrats und die obere Oberfläche der Rückplatte auf gleicher Höhe sind. Insbesondere sind die oberen Oberflächen auf gleicher Ebene oder bündig. Mit anderen Worten weisen die obere Oberfläche des Substrats und die obere Oberfläche der Rückplatte die gleiche Höhe auf. Dadurch wird die Topographie des Wandlerelements reduziert, da das Substrat und die Rückplatte auf gleicher Höhe sind.In one embodiment, the substrate includes an upper surface facing the membrane, and the backplate includes an upper surface facing the membrane, wherein the upper surface of the substrate and the upper surface of the backplate are level with each other. In particular, the upper surfaces are at the same level or flush. In other words, the upper surface of the substrate and the upper surface of the back plate have the same height. This reduces the topography of the transducer element since the substrate and backplate are at the same height.

Das Substrat kann eine Dicke von 500 µm oder weniger aufweisen. Insbesondere kann das Substrat eine Dicke von 450 µm oder weniger aufweisen. Das Substrat kann eine Dicke im Bereich von 200 µm bis 500 µm aufweisen. Die anhaltende Tendenz in Richtung einer verstärkten Miniaturisierung erfordert Wandlerelemente mit sehr geringen Substratdicken. Demzufolge erfüllt das Bereitstellen eines Wandlerelements mit einer solch geringen Dicke des Substrats die Anforderungen hinsichtlich der Miniaturisierung. Wie oben besprochen wird Eigenspannung während einer Flip-Chip-Montage dadurch reduziert, dass die Rückplatte im Hohlraum des Substrats angeordnet ist. Dementsprechend sind die Anforderungen hinsichtlich einer inneren Stabilität des Wandlerelements weniger streng, wodurch eine geringe Substratdicke ermöglicht wird.The substrate may have a thickness of 500 μm or less. In particular, the substrate may have a thickness of 450 μm or less. The substrate may have a thickness in the range of 200 μm to 500 μm. The continuing trend towards increased miniaturization requires transducer elements with very low substrate thicknesses. As a result, providing a transducer element having such a small thickness of the substrate meets the requirements of miniaturization. As discussed above, residual stress during flip-chip mounting is reduced by placing the backplate in the cavity of the substrate. Accordingly, the requirements for internal stability of the transducer element are less stringent, allowing for a small substrate thickness.

Ein erstes Kontaktpad kann auf der Rückplatte angeordnet sein und ein zweites Kontaktpad kann auf der Membran angeordnet sein, wobei das erste und zweite Kontaktpad auf gleicher Höhe sind. Das erste Kontaktpad wird zum elektrischen Verbinden der Rückplatte und zum Anlegen einer bestimmten Spannung an die Rückplatte verwendet. Das zweite Kontaktpad wird zum elektrischen Verbinden der Membran verwendet und ist zum Anlegen einer Spannung an die Membran konfiguriert. Da das erste und das zweite Kontaktpad auf gleicher Höhe sind, ermöglichen sie einen symmetrischen und robusten Flip-Chip-Prozess, wenn das Wandlerelement mit einem weiteren Bauteil, z.B. dem Substrat eines MEMS-Mikrofons, zusammengebaut wird.A first contact pad may be disposed on the back plate, and a second contact pad may be disposed on the membrane, with the first and second contact pads being at the same height. The first contact pad is used for electrically connecting the back plate and applying a certain voltage to the back plate. The second contact pad is used to electrically connect the membrane and is configured to apply a voltage to the membrane. Since the first and second contact pads are at the same height, they enable a symmetrical and robust flip-chip process when the transducer element is connected to another component, e.g. the substrate of a MEMS microphone, is assembled.

Ferner kann ein drittes Kontaktpad auf dem Substrat des Wandlerelements angeordnet sein, wobei das dritte Kontaktpad auf gleicher Höhe wie das erste und das zweite Kontaktpad ist. Dadurch wird die Topographie des Wandlerelements weiter reduziert. Insbesondere kann die Topographie des Wandlerelements 5 µm oder weniger betragen.Furthermore, a third contact pad may be arranged on the substrate of the transducer element, wherein the third contact pad is at the same height as the first and the second contact pad. This further reduces the topography of the transducer element. In particular, the topography of the transducer element may be 5 μm or less.

Das Wandlerelement kann ferner eine zweite Rückplatte umfassen, die auf der Seite der Membran angeordnet ist, die vom Substrat weggewandt ist. Demzufolge kann das Wandlerelement ein Wandlerelement mit einer doppelten Rückplatte sein. Wandlerelemente mit einer doppelten Rückplatte liefern typischerweise eine verbesserte Empfindlichkeit und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis.The transducer element may further include a second backplate disposed on the side of the membrane facing away from the substrate. As a result, the transducer element may be a transducer element having a double backplate. Transducer elements having a dual backplate typically provide improved sensitivity and signal-to-noise ratio.

Ferner wird ein MEMS-Mikrofon bereitgestellt, das das oben beschriebene Wandlerelement umfasst.Furthermore, a MEMS microphone is provided that comprises the transducer element described above.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Wandlerelement.A second aspect of the present invention relates to a manufacturing method for a transducer element.

Das durch das Verfahren hergestellte Wandlerelement kann das oben beschriebene Wandlerelement sein. Dementsprechend kann jedes strukturelle oder funktionale Merkmal, das hinsichtlich des Wandlerelements offenbart wird, auch hinsichtlich des Verfahrens vorliegen. Umgekehrt kann jedes strukturelle oder funktionale Merkmal, das hinsichtlich des Verfahrens offenbart wird, auch hinsichtlich des Wandlerelements vorliegen.The transducer element produced by the method may be the transducer element described above. Accordingly, any structural or functional feature disclosed with respect to the transducer element may also be in the process. Conversely, any structural or functional feature disclosed with respect to the method may also be present in terms of the transducer element.

Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Substrats, Bilden einer Aussparung im Substrat, Anordnen einer Rückplatte in der Aussparung, Bilden einer Membran oberhalb der Rückplatte, so dass die Membran relativ zur Rückplatte beweglich ist, und Bilden eines Hohlraums, der sich von einer unteren Oberfläche des Substrats, die von der Membran weggewandt ist, durch das Substrat in die Aussparung hinein erstreckt. Die Schritte können in der Reihenfolge wie oben gegeben ausgeführt werden.The method includes the steps of providing a substrate, forming a recess in the substrate, arranging a back plate in the recess, forming a membrane above the back plate so that the membrane is movable relative to the back plate, and forming a cavity extending from a bottom surface of the substrate facing away from the membrane Substrate extends into the recess. The steps can be performed in the order given above.

Die Aussparung kann durch Ätzen gebildet werden. Ätzen ermöglicht es, die Aussparung sehr genau mit einer gewünschten Tiefe und in einer gewünschten Form zu bilden.The recess can be formed by etching. Etching makes it possible to form the recess very precisely with a desired depth and in a desired shape.

Durch Anordnen der Rückplatte im Hohlraum liefert das Verfahren die oben besprochenen Vorteile einer reduzierten Topographie und einer geringen Menge von Oxid auf dem Substrat, wodurch eine reduzierte Waferwölbung erzielt und ein dünnes Substrat ermöglicht wird.By locating the backplate in the cavity, the method provides the advantages discussed above of reduced topography and a small amount of oxide on the substrate, thereby achieving reduced wafer bowing and enabling a thin substrate.

Der Schritt des Anordnens der Rückplatte in der Aussparung kann die Teilschritte des Abscheidens einer Isolationsoxidschicht, so dass die Isolationsoxidschicht eine obere Oberfläche des Substrats bedeckt, des Abscheidens einer Schicht, die zum Bilden der Rückplatte in einem späteren Herstellungsschritt konfiguriert ist, so dass die Schicht eine obere Oberfläche der Isolationsoxidschicht bedeckt, und des Entfernens der Schicht und der Isolationsoxidschicht außerhalb der Aussparung, so dass die Schicht die Rückplatte bildet, umfassen. Die obere Oberfläche der Isolationsoxidschicht ist vom Substrat weggewandt.The step of disposing the backplate in the recess may include the substeps of depositing an insulating oxide layer so that the insulating oxide layer covers an upper surface of the substrate, depositing a layer configured to form the backplate in a later manufacturing step such that the layer has a Covering the top surface of the insulating oxide layer, and removing the layer and the insulating oxide layer outside the recess, so that the layer forms the back plate include. The upper surface of the insulating oxide layer faces away from the substrate.

Da die Schicht und die Isolationsoxidschicht außerhalb der Aussparung entfernt werden, übt die Isolationsoxidschicht nicht sehr viel Druckspannung auf das Substrat aus.Since the layer and the insulating oxide layer are removed outside the recess, the insulating oxide layer does not exert much compressive stress on the substrate.

Die Schicht und die Isolationsoxidschicht können durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt werden. Dadurch kann das Substrat, das Silicium umfassen kann, die Stoppschicht sein. Da das Substrat eine große Oberfläche aufweist, ermöglicht dies eine sehr gute Steuerung des chemisch-mechanischen Polierens.The layer and the insulation oxide layer can be removed by chemical mechanical polishing. Thereby, the substrate, which may comprise silicon, may be the stop layer. Since the substrate has a large surface area, this allows a very good control of the chemical mechanical polishing.

Ferner kann das Verfahren die Schritte des Strukturierens der Rückplatte, des Abscheidens einer Planarisierungsschicht, so dass die Planarisierungsschicht die strukturierte Rückplatte und die obere Oberfläche des Substrats bedeckt, und des teilweisen Entfernens der Planarisierungsschicht, so dass eine obere Oberfläche der Rückplatte und die obere Oberfläche des Substrats frei von der Planarisierungsschicht sind, umfassen. Die Planarisierungsschicht kann eine Oxidschicht sein. Die Planarisierungsschicht stellt sicher, dass das Wandlerelement eine flache Oberfläche aufweist, nachdem die Schritte ausgeführt sind. Außerdem muss, da die Rückplatte in der Aussparung angeordnet ist, die Planarisierungsschicht die obere Oberfläche des Substrats nicht bedecken, so dass sie keine Druckspannung auf das Substrat ausübt.Further, the method may include the steps of patterning the backplate, depositing a planarization layer such that the planarization layer covers the patterned backplate and the top surface of the substrate, and partially removing the planarization layer such that an upper surface of the backplate and the top surface of the planarization layer Substrate are free of the planarization, include. The planarization layer may be an oxide layer. The planarization layer ensures that the transducer element has a flat surface after the steps are performed. In addition, since the back plate is disposed in the recess, the planarization layer does not have to cover the upper surface of the substrate so that it does not apply compressive stress to the substrate.

Die Planarisierungsschicht kann teilweise durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt werden. Die obere Oberfläche des Substrats und die obere Oberfläche der Rückplatte können Stoppschichten für das chemisch-mechanische Polieren bilden. Da das Substrat und die Rückplatte einen großen Oberflächeninhalt aufweisen, woraus ein großer Stoppbereich folgt, ist der Prozess des chemisch-mechanischen Polierens sehr gut steuerbar, und dementsprechend bleibt die Dicke der polierten Oberflächen gleichmäßig.The planarization layer can be partially removed by chemical mechanical polishing. The upper surface of the substrate and the upper surface of the back plate may form chemical mechanical polishing stoppers. Since the substrate and the back plate have a large surface area, resulting in a large stop area, the process of chemical mechanical polishing is very easy to control, and accordingly, the thickness of the polished surfaces remains uniform.

Die Planarisierungsschicht kann durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung (LPCVD – Low Pressure Chemical Vapour Deposition) oder durch plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung (PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) abgeschieden werden. Jedes der Verfahren ermöglicht das Abscheiden einer dünnen Schicht mit hoher Präzision. PECVD-Abscheidung ist ein einseitiger Prozess. In einem LPCVD-Prozess wird eine Schicht auf beiden Seiten des Substrats abgeschieden. Demzufolge muss die in einem LPCVD-Prozess auf der unteren Oberfläche des Substrats abgeschiedene Schicht entfernt werden.The planarization layer can be deposited by Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) or Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). Each of the methods enables the deposition of a thin film with high precision. PECVD deposition is a one-sided process. In a LPCVD process, a layer is deposited on both sides of the substrate. As a result, the layer deposited in an LPCVD process on the lower surface of the substrate must be removed.

Ferner kann das Verfahren den Schritt des Ausdünnens des Substrats umfassen, der ausgeführt wird, nachdem die Rückplatte und die Membran gebildet wurden und nachdem die Rückplatte strukturiert wurde. Demzufolge kann der Schritt des Ausdünnens des Substrats am Ende des Herstellungsprozesses ausgeführt werden, wodurch es ermöglicht wird, das Substrat während des Herstellungsprozesses in einer eher dicken Form zu handhaben. Dies reduziert die Gefahr, das Wandlerelement während des Herstellungsprozesses zu beschädigen. Zudem ermöglicht das Verfahren die Verwendung von Standardhandhabungsausrüstung während des Herstellungsprozesses, da das Substrat während des Herstellungsprozesses in einer eher dicken Form gehandhabt werden kann. Insbesondere benötigt das Verfahren keine speziellen Herstellungswerkzeuge für dünne und zerbrechliche Wafer. Den Schritt des Ausdünnens am Ende des Herstellungsprozesses auszuführen, ist nur möglich, weil das Anordnen des Wandlerelements im Hohlraum es möglich macht, auf das Bereitstellen einer Kompensationsschicht für die Oxidschicht auf der Rückseite des Wandlerelements, d.h. auf der unteren Oberfläche des Substrats, zu verzichten.Further, the method may include the step of thinning the substrate that is performed after the backplate and the membrane have been formed and after the backplate has been patterned. As a result, the step of thinning the substrate may be performed at the end of the manufacturing process, thereby making it possible to handle the substrate in a rather thick shape during the manufacturing process. This reduces the risk of damaging the transducer element during the manufacturing process. In addition, the method allows the use of standard handling equipment during the manufacturing process because the substrate can be handled in a rather thick form during the manufacturing process. In particular, the method does not require special manufacturing tools for thin and fragile wafers. The thinning step at the end of the fabrication process is only possible because placing the transducer element in the cavity makes it possible to rely on providing a compensation layer for the oxide layer on the back side of the transducer element, i. on the lower surface of the substrate, to dispense.

Die Dicke des Substrats kann im Schritt des Ausdünnens des Substrats auf 500 µm oder weniger reduziert werden. Insbesondere kann die Dicke des Substrats im Schritt des Ausdünnens auf den Bereich von 200 bis 500 µm reduziert werden. Vor dem Schritt des Ausdünnens des Substrats kann das Substrat eine Dicke im Bereich von 500 bis 900 µm aufweisen. The thickness of the substrate may be reduced to 500 μm or less in the step of thinning the substrate. In particular, the thickness of the substrate in the step of thinning can be reduced to the range of 200 to 500 μm. Before the step of thinning the substrate, the substrate may have a thickness in the range of 500 to 900 μm.

Das Substrat kann durch eine Schleifscheibe ausgedünnt werden, wobei eine Körnungsgröße der Schleifscheibe so gewählt wird, dass auf einer unteren Oberfläche des Substrats eine dünne druckgespannte Schicht gebildet wird. Die dünne druckgespannte Schicht kann zur Reduktion der Waferwölbung beitragen. Im Prinzip wirkt die dünne druckgespannte Schicht auf die gleiche Art wie das Verwenden eines etwas dickeren Wafers auf die Waferwölbung.The substrate may be thinned by a grinding wheel, wherein a grind size of the grinding wheel is selected to form a thin pressure-strained layer on a lower surface of the substrate. The thin pressure-stressed layer can contribute to the reduction of the wafer curvature. In principle, the thin pressure-strained layer acts in the same way as using a slightly thicker wafer on the wafer bow.

Im Folgenden wird die Erfindung mit der Hilfe der Figuren ausführlicher beschrieben.In the following, the invention will be described in more detail with the aid of the figures.

1 zeigt ein Wandlerelement. 1 shows a transducer element.

2 bis 14 zeigen das Wandlerelement in verschiedenen Phasen des Herstellungsprozesses. 2 to 14 show the transducer element in different stages of the manufacturing process.

1 zeigt ein Wandlerelement 1. Das Wandlerelement 1 ist ein MEMS-Element. Das Wandlerelement 1 kann in einem MEMS-Mikrofon verwendet werden. Insbesondere ist das Wandlerelement 1 konfiguriert, ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. 1 shows a transducer element 1 , The transducer element 1 is a MEMS element. The transducer element 1 can be used in a MEMS microphone. In particular, the transducer element 1 configured to convert an acoustic signal into an electrical signal.

Das Wandlerelement 1 umfasst eine bewegliche Membran 2, eine untere Rückplatte 3 und eine obere Rückplatte 4. Die Membran 2 ist relativ zur unteren Rückplatte 3 und relativ zur oberen Rückplatte 4 beweglich. Die untere Rückplatte 3 und die obere Rückplatte 4 sind fixiert. Insbesondere sind die untere Rückplatte 3 und die obere Rückplatte 4 relativ zu einem Substrat 5 nicht beweglich.The transducer element 1 includes a movable membrane 2 , a lower back plate 3 and an upper back plate 4 , The membrane 2 is relative to the lower back plate 3 and relative to the upper back plate 4 movable. The lower back plate 3 and the upper back plate 4 are fixed. In particular, the lower back plate 3 and the upper back plate 4 relative to a substrate 5 not mobile.

Eine Spannung kann zwischen der Membran 2 und der unteren Rückplatte 3 angelegt werden. Die Membran 2 und die untere Rückplatte 3 sind konfiguriert, einen Kondensator zu bilden. Ferner kann eine andere Spannung zwischen der Membran 2 und der oberen Rückplatte 4 angelegt werden. Dementsprechend sind die Membran 2 und die obere Rückplatte 4 auch konfiguriert, einen Kondensator zu bilden. Die Kapazität jedes der Kondensatoren ist in Abhängigkeit von einer Variation des an das Wandlerelement 1 angelegten Schalldrucks variabel, z.B. variabel als Reaktion auf einen Schall, der an das Wandlerelement 1 angelegt wird.A tension can be between the membrane 2 and the lower back plate 3 be created. The membrane 2 and the lower back plate 3 are configured to form a capacitor. Furthermore, a different voltage between the membrane 2 and the upper back plate 4 be created. Accordingly, the membrane 2 and the upper back plate 4 also configured to form a capacitor. The capacitance of each of the capacitors is dependent on a variation of the to the transducer element 1 applied sound pressure variable, for example variable in response to a sound to the transducer element 1 is created.

Das in 1 gezeigte Wandlerelement 1 wird auch als ein Wandlerelement mit doppelter Rückplatte bezeichnet. In einer alternativen Gestaltung kann das Wandlerelement 1 nur entweder die untere Rückplatte 3 oder die obere Rückplatte 4 umfassen. Demzufolge kann das Wandlerelement 1 auch ein Wandlerelement mit einer einzigen Rückplatte sein. Dieses Wandlerelement mit einer einzigen Rückplatte weist die Membran 2 auf der vom Substrat 5 weggewandten Seite auf. Dies ist für ein flip-Chip-montiertes Unterseitenöffnungsmikrofon sehr praktikabel.This in 1 shown transducer element 1 is also referred to as a double backplate transducer element. In an alternative design, the transducer element 1 only either the lower back plate 3 or the upper back plate 4 include. As a result, the transducer element 1 also be a transducer element with a single backplate. This transducer element with a single backplate has the membrane 2 on the from the substrate 5 away side. This is very practical for a flip-chip mounted bottom opening microphone.

Das Wandlerelement 1 kann in einem Mikrofon verwendet werden. Das Wandlerelement 1 definiert ein vorderes Volumen. Das vordere Volumen ist akustisch mit einer Umgebung des Mikrofons verbunden. Insbesondere ist das Mikrofon so konfiguriert, dass sich Schall zum vorderen Volumen des Wandlerelements 1 ausbreiten kann. Zudem definiert das Wandlerelement 1 ein hinteres Volumen. Das hintere Volumen des Wandlerelements 1 ist ein Referenzvolumen, das akustisch vom vorderen Volumen getrennt ist. Das Wandlerelement 1 ist konfiguriert, eine Differenz zwischen dem Schalldruck im vorderen Volumen und dem Schalldruck im hinteren Volumen zu messen.The transducer element 1 can be used in a microphone. The transducer element 1 defines a front volume. The front volume is acoustically connected to an environment of the microphone. In particular, the microphone is configured to sound to the front volume of the transducer element 1 can spread. In addition, the transducer element defines 1 a rear volume. The rear volume of the transducer element 1 is a reference volume that is acoustically separated from the front volume. The transducer element 1 is configured to measure a difference between the sound pressure in the front volume and the sound pressure in the rear volume.

Ferner umfasst das Wandlerelement 1 das Substrat 5. Insbesondere ist das Substrat 5 eine Siliciummasse. Das Substrat 5 umfasst einen Hohlraum 23. Der Hohlraum 23 ist eine Öffnung, die sich durch das Substrat erstreckt. Insbesondere erstreckt sich der Hohlraum 23 von einer unteren Oberfläche 24 des Substrats 5, die von der Membran 2 weggewandt ist, zu einer oberen Oberfläche 7 des Substrats 5, die zur Membran 2 hingewandt ist.Furthermore, the transducer element comprises 1 the substrate 5 , In particular, the substrate 5 a silicon mass. The substrate 5 includes a cavity 23 , The cavity 23 is an opening that extends through the substrate. In particular, the cavity extends 23 from a lower surface 24 of the substrate 5 coming from the membrane 2 turned away, to an upper surface 7 of the substrate 5 leading to the membrane 2 is turned.

Das Substrat 5 umfasst ferner eine Aussparung 6. Der Hohlraum 23 geht in die Aussparung 6 über, so dass die Aussparung 6 ein Teil des Hohlraums 23 wird. Die Aussparung 6 ist ein Bereich des Substrats 5, der eine reduzierte Höhe aufweist. Die Aussparung 6 ist an der oberen Oberfläche 7 des Substrats angeordnet. Die untere Rückplatte 3 ist in der Aussparung 6 des Substrats 5 angeordnet. Insbesondere ist eine obere Oberfläche 8 der unteren Rückplatte 3, die zur Membran 2 hingewandt ist, in der gleichen Ebene wie die obere Oberfläche 7 des Substrats 5 angeordnet.The substrate 5 further comprises a recess 6 , The cavity 23 goes into the recess 6 over, leaving the recess 6 a part of the cavity 23 becomes. The recess 6 is an area of the substrate 5 which has a reduced height. The recess 6 is on the upper surface 7 of the substrate. The lower back plate 3 is in the recess 6 of the substrate 5 arranged. In particular, an upper surface 8th the lower back plate 3 leading to the membrane 2 is in the same plane as the top surface 7 of the substrate 5 arranged.

Die untere Rückplatte 3 umfasst eine erste Teilschicht 3a, die aus Siliciumnitrid besteht, und eine zweite Teilschicht 3b, die in situ p-dotiertes Polysilicium umfasst. Die erste Teilschicht 3a weist eine Dicke im Bereich von 0,5 µm bis 1,5 µm und eine mittlere Spannung im Bereich von 400 bis 500 MPa auf. Die zweite Teilschicht 3b weist eine Dicke im Bereich von 1,0 µm bis 2,0 µm auf.The lower back plate 3 includes a first sub-layer 3a silicon nitride and a second sublayer 3b comprising in situ p-doped polysilicon. The first sub-layer 3a has a thickness in the range of 0.5 μm to 1.5 μm and an average stress in the range of 400 to 500 MPa. The second sub-layer 3b has a thickness in the range of 1.0 μm to 2.0 μm.

Die Membran 2 umfasst mehrere Teilschichten. Insbesondere umfasst die Membran einen Stapel, der eine erste Teilschicht 2a, eine zweite Teilschicht 2b und eine dritte Teilschicht 2c umfasst. Die erste Teilschicht 2a umfasst Siliciumnitrid. Die zweite Teilschicht 2b umfasst p-Polysilicium. Die dritte Teilschicht 2c umfasst Siliciumnitrid.The membrane 2 includes several sublayers. In particular, the membrane comprises a stack comprising a first sublayer 2a , a second sublayer 2 B and a third sublayer 2c includes. The first sub-layer 2a includes silicon nitride. The second sub-layer 2 B includes p-polysilicon. The third sub-layer 2c includes silicon nitride.

Zwischen der unteren Rückplatte 3 und dem Substrat 5 ist eine Isolationsoxidschicht 9 angeordnet. Die Isolationsoxidschicht 9 verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der unteren Rückplatte 3 und dem Substrat 5, wenn eine Spannung zwischen der unteren Rückplatte 3 und dem Substrat 5 angelegt wird.Between the lower back plate 3 and the substrate 5 is an insulation oxide layer 9 arranged. The insulation oxide layer 9 prevents an electrical short circuit between the lower back plate 3 and the substrate 5 if a voltage between the lower back plate 3 and the substrate 5 is created.

Ferner ist ein erstes Kontaktpad 10 auf der unteren Rückplatte 3 angeordnet. Ein zweites Kontaktpad 11 ist auf der Membran 2 angeordnet. Ein drittes Kontaktpad 12 ist auf dem Substrat 5 angeordnet. Das erste, das zweite und das dritte Kontaktpad 10, 11, 12 weisen jeweils die gleiche Höhe auf. Dementsprechend ist es einfacher, das Wandlerelement 1 unter Verwendung einer Flip-Chip-Technik zu montieren. Furthermore, a first contact pad 10 on the lower back plate 3 arranged. A second contact pad 11 is on the membrane 2 arranged. A third contact pad 12 is on the substrate 5 arranged. The first, the second and the third contact pad 10 . 11 . 12 each have the same height. Accordingly, it is easier to use the transducer element 1 using a flip-chip technique.

Weiterhin ist ein viertes Kontaktpad 13 auf der oberen Rückplatte 4 angeordnet. Das vierte Kontaktpad 13 weist eine Höhe auf, die sich von der Höhe des ersten, des zweiten und des dritten Kontaktpads 10, 11, 12 unterscheidet. Die Höhendifferenz zwischen dem vierten Kontaktpad 13 und den anderen Kontaktpads 10, 11, 12 ist jedoch gering.Furthermore, a fourth contact pad 13 on the upper back plate 4 arranged. The fourth contact pad 13 has a height that varies from the height of the first, second and third contact pads 10 . 11 . 12 different. The height difference between the fourth contact pad 13 and the other contact pads 10 . 11 . 12 but it is low.

Da die Höhendifferenz zwischen den vier Kontaktpads 10, 11, 12, 13 gering ist, wird die Bondbarkeit des Wandlerelements 1 verbessert. Zudem ist das Auftreten von nichtsymmetrischer Spannung an dem Wandlerelement 1 reduziert, wenn das Wandlerelement 1 unter Verwendung einer Flip-Chip-Technik und von Lötprozessen montiert wird.Because the height difference between the four contact pads 10 . 11 . 12 . 13 is low, the bondability of the transducer element 1 improved. In addition, there is the occurrence of nonsymmetric voltage on the transducer element 1 reduced when the transducer element 1 using a flip-chip technique and soldering processes.

Im Folgenden wird der Herstellungsprozess des Wandlerelements 1 mit Bezug auf 2–14 diskutiert, die verschiedene Phasen des Herstellungsprozesses zeigen.The following is the manufacturing process of the transducer element 1 regarding 2 - 14 discussing different stages of the manufacturing process.

2 zeigt eine erste Phase am Anfang des Herstellungsprozesses. Hier wird das Substrat 5 bereitgestellt. In dieser Phase des Herstellungsprozesses ist das Substrat 5 relativ dick, wodurch das Handhaben des Substrats 5 in einer Standard-CMOS-Prozessumgebung vereinfacht wird. Insbesondere weist das Substrat eine Dicke im Bereich von 500 bis 900 µm auf. 2 shows a first phase at the beginning of the manufacturing process. Here is the substrate 5 provided. At this stage of the manufacturing process is the substrate 5 relatively thick, thereby handling the substrate 5 in a standard CMOS process environment. In particular, the substrate has a thickness in the range of 500 to 900 μm.

Ferner wird die Aussparung 6 an der oberen Oberfläche 7 des Substrats 5 gebildet. Die Aussparung 6 weist eine Tiefe auf, die gleich der oder größer als die Höhe der (in 2 nicht gezeigten) unteren Rückplatte 3 ist. Die Aussparung wird durch Ätzen gebildet.Furthermore, the recess 6 on the upper surface 7 of the substrate 5 educated. The recess 6 has a depth equal to or greater than the height of the (in 2 not shown) lower back plate 3 is. The recess is formed by etching.

3 zeigt das Wandlerelement 1 in einer späteren Herstellungsphase. Zuerst wird eine (nicht gezeigte) dünne Schicht aus Oxidationsphosphorimplantaten auf die obere Oberfläche 7 des Substrats 5 aufgetragen und anschließend wieder entfernt. Insbesondere umfasst Auftragen und Entfernen dieser Schicht die Teilschritte des Abscheidens einer dünnen thermischen Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 100 nm, dann des Implantierens von Phosphor, dann des Temperns und des anschließenden Entfernens oder Ätzens der Oxidschicht. Diese Schicht dient dem Zweck, einen Kontaktwiderstand zwischen dem Substrat 5 und dem entsprechenden dritten Kontaktpad 12, das später angebracht wird, zu reduzieren. Anschließend wird die Isolationsoxidschicht 9 so auf die obere Oberfläche 7 des Substrats 5 abgeschieden, dass die Isolationsoxidschicht 9 die obere Oberfläche 7 des Substrats 5 und die Aussparung 6 bedeckt. 3 shows the transducer element 1 in a later production phase. First, a thin layer of oxidative phosphorimplants (not shown) is applied to the top surface 7 of the substrate 5 applied and then removed again. In particular, applying and removing this layer involves the substeps of depositing a thin thermal oxide layer having a thickness of about 100 nm, then implanting phosphorus, then annealing, and then removing or etching the oxide layer. This layer serves the purpose of providing a contact resistance between the substrate 5 and the corresponding third contact pad 12 later attached to reduce. Subsequently, the insulation oxide layer 9 so on the upper surface 7 of the substrate 5 deposited that the insulation oxide layer 9 the upper surface 7 of the substrate 5 and the recess 6 covered.

Als nächstes wird eine Schicht 15 abgeschieden, die konfiguriert ist, in einem späteren Herstellungsschritt die untere Rückplatte 3 zu bilden. Die Schicht 15 wird über den gesamten Bereich des Substrats 5 einschließlich der Aussparung 6 abgeschieden. Die Schicht 15 umfasst mehrere Teilschichten. Insbesondere umfasst die Schicht 15 Teilschichten, die konfiguriert sind, in einem späteren Herstellungsschritt die oben beschriebenen Teilschichten 3a, 3b zu bilden. Next is a layer 15 deposited, which is configured in a later manufacturing step, the lower back plate 3 to build. The layer 15 is over the entire area of the substrate 5 including the recess 6 deposited. The layer 15 includes several sublayers. In particular, the layer comprises 15 Partial layers that are configured in a later manufacturing step, the sublayers described above 3a . 3b to build.

4 zeigt das Wandlerelement 1, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde, wobei die Schicht 15, die konfiguriert ist, die untere Rückplatte 3 zu bilden, und die Isolationsoxidschicht 9 teilweise entfernt sind. Insbesondere sind die Schicht 15 und die Isolationsoxidschicht 9 in den Bereichen des Substrats 5 entfernt, die nicht Teil der Aussparung 6 sind. Diese Bereiche werden auch Ritzrahmen genannt. 4 shows the transducer element 1 After a next manufacturing step has been performed, the layer 15 that is configured, the lower back plate 3 to form, and the insulation oxide layer 9 partially removed. In particular, the layer 15 and the insulation oxide layer 9 in the areas of the substrate 5 removed, not part of the recess 6 are. These areas are also called scribe frames.

Insbesondere werden die Schicht 15 und die Isolationsoxidschicht 9 durch chemisch-mechanisches Polieren entfernt. Das chemisch-mechanische Polieren ist konfiguriert, Polysilicium, Siliciumnitrid und Siliciumoxid zu entfernen und bei einer Siliciumschicht zu stoppen. Dementsprechend bildet die obere Oberfläche 7 des Substrats 5 eine Stoppschicht für das chemisch-mechanische Polieren. Das chemisch-mechanische Polieren ist ausgelegt, so zu stoppen, dass nur die untere Rückplatte 3 von der Schicht 15 übrigbleibt. Insbesondere ist die obere Oberfläche 8 der unteren Rückplatte 3 nach dem Schritt des chemisch-mechanischen Polierens auf gleicher Höhe wie die obere Oberfläche 7 des Substrats 5.In particular, the layer 15 and the insulation oxide layer 9 removed by chemical-mechanical polishing. The chemical mechanical polishing is configured to remove polysilicon, silicon nitride and silicon oxide and to stop at a silicon layer. Accordingly, the upper surface forms 7 of the substrate 5 a stop layer for chemical mechanical polishing. The chemical-mechanical polishing is designed to stop so that only the lower back plate 3 from the shift 15 remains. In particular, the upper surface is 8th the lower back plate 3 after the step of chemical mechanical polishing at the same height as the upper surface 7 of the substrate 5 ,

Da die obere Oberfläche 7 des Substrats 5, die die Stoppschicht für das chemisch-mechanische Polieren bildet, eine große Fläche aufweist, ist der Schritt des chemisch-mechanischen Polierens sehr gut steuerbar.Because the upper surface 7 of the substrate 5 , which forms the stop layer for the chemical mechanical polishing, has a large area, is the Step of chemical-mechanical polishing very well controlled.

Zudem besteht kein Risiko von Oxiderosion, da nach dem Schritt des chemisch-mechanischen Polierens in den Bereichen des Substrats 5 außerhalb der Aussparung 6 kein Oxid vorliegt. In addition, there is no risk of oxide erosion since after the step of chemical mechanical polishing in the regions of the substrate 5 outside the recess 6 no oxide is present.

Ferner sind die Bereiche des Substrats 5 außerhalb der Aussparung 6 nach dem Schritt des chemisch-mechanischen Polierens frei von der Isolationsoxidschicht 9. Oxid übt typischerweise eine große Druckspannung auf ein Substrat aus. Da die Isolationsoxidschicht 9 von den Bereichen des Substrats 5 außerhalb der Aussparung 6 entfernt wurde, ist die Menge von druckgespanntem Oxid auf der oberen Oberfläche 7 des Substrats 5 bedeutend reduziert. Dementsprechend wird das Substrat 5 weniger wahrscheinlich durch die Spannung deformiert. Dementsprechend wird die Gesamtwölbung eines Wafers reduziert, wenn das Wandlerelement 1 aus einem Wafer gefertigt wird.Further, the areas of the substrate 5 outside the recess 6 after the step of chemical mechanical polishing free of the insulation oxide layer 9 , Oxide typically exerts a large compressive stress on a substrate. As the insulation oxide layer 9 from the areas of the substrate 5 outside the recess 6 was removed, the amount of pressure-stressed oxide on the upper surface 7 of the substrate 5 significantly reduced. Accordingly, the substrate becomes 5 less likely deformed by the tension. Accordingly, the overall curvature of a wafer is reduced when the transducer element 1 is made from a wafer.

5 zeigt das Wandlerelement 1 nach einem nächsten Herstellungsschritt. In diesem Herstellungsschritt wurde die untere Rückplatte 3 strukturiert. Insbesondere sind Schalleingangsöffnungen 14 in der unteren Rückplatte 3 gebildet. 5 shows the transducer element 1 after a next manufacturing step. In this manufacturing step, the lower back plate became 3 structured. In particular, sound entry openings 14 in the lower back plate 3 educated.

6 zeigt das Wandlerelement, nachdem der nächste Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Eine Planarisierungsschicht 16 wurde über die strukturierte Rückplatte 3 und das Substrat 5 abgeschieden, so dass die Planarisierungsschicht 16 die strukturierte Rückplatte 3 und das Substrat 5 bedeckt. Die Planarisierungsschicht 16 umfasst Oxid. 6 shows the transducer element after the next manufacturing step has been performed. A planarization layer 16 was over the structured backplate 3 and the substrate 5 deposited, leaving the planarization layer 16 the structured back plate 3 and the substrate 5 covered. The planarization layer 16 includes oxide.

Das Wandlerelement 1 weist eine gleichmäßige Dicke auf, nachdem die Planarisierungsschicht 16 aufgetragen wurde. Die Planarisierungsschicht 16 wird durch plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung oder durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung aufgetragen. Die Planarisierungsschicht 16 weist eine Dicke im Bereich von 4 bis 5 µm auf. Diesem Schritt folgt Tempern der Planarisierungsschicht 16. Falls eine dicke Planarisierungsschicht 16 durch plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird, sind die Schritte des Abscheidens und des Temperns sequenziell. Dies bedeutet, dass 1–2 µm Oxid auf der oberen Oberfläche 7 des Substrats 5 und/oder der unteren Oberfläche des Substrats 5, die der oberen Oberfläche 7 gegenüberliegt, abgeschieden wird, die Schicht dann getempert wird und die Sequenz wiederholt wird, bis die Gesamtschichtdicke erhalten wird. Der Zweck des Abscheidens von Oxid auf der unteren Oberfläche ist, die Wölbung zu kompensieren, die aufgrund der Planarisierungsschicht 16 auf der oberen Oberfläche 7 erzeugt wird. Bei einem dicken Wafer ist es nicht notwendig, die gleiche Menge Oxid auf der unteren Oberfläche wie auf der oberen Oberfläche abzuscheiden, da die Wölbung von der Waferdicke abhängt.The transducer element 1 has a uniform thickness after the planarization layer 16 was applied. The planarization layer 16 is applied by plasma assisted chemical vapor deposition or by low pressure chemical vapor deposition. The planarization layer 16 has a thickness in the range of 4 to 5 microns. This step is followed by tempering the planarization layer 16 , If a thick planarization layer 16 by plasma assisted chemical vapor deposition, the deposition and annealing steps are sequential. This means that 1-2 μm oxide on the top surface 7 of the substrate 5 and / or the lower surface of the substrate 5 , the upper surface 7 is deposited, then the layer is annealed and the sequence is repeated until the total layer thickness is obtained. The purpose of depositing oxide on the bottom surface is to compensate for the camber due to the planarization layer 16 on the upper surface 7 is produced. With a thick wafer, it is not necessary to deposit the same amount of oxide on the lower surface as on the upper surface because the warpage depends on the wafer thickness.

7 zeigt das Wandlerelement 1, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Im nächsten Herstellungsschritt wird ein zweiter chemisch-mechanischer Polierschritt ausgeführt, um die Planarisierungsschicht 16 teilweise zu entfernen. Die untere Rückplatte 3 und die Bereiche des Substrats 5 außerhalb der Aussparung 6 sind wieder freigelegt und von der Passivierungsschicht 16 befreit. 7 shows the transducer element 1 after a next manufacturing step has been performed. In the next fabrication step, a second chemical-mechanical polishing step is performed to form the planarization layer 16 partially remove. The lower back plate 3 and the areas of the substrate 5 outside the recess 6 are exposed again and by the passivation layer 16 freed.

Wiederum bildet die obere Oberfläche 7 des Substrats 5, die Silicium umfasst, die Stoppschicht für den chemisch-mechanischen Polierschritt. Zudem umfasst die zweite Teilschicht 3b der unteren Rückplatte 3 Polysilicium, das eine sehr niedrige Polierrate aufweist. Dementsprechend bildet sie eine Quasistoppschicht, da ihre Polierrate bedeutend niedriger ist als die Polierrate der Planarisierungsschicht 16. Dadurch wird die Schichtdickensteuerung aufgrund der großen Fläche der Stoppschichten verbessert. Im Einzelnen wird die Dicke der zweiten Teilschicht 3b der unteren Rückplatte 3 nur in geringem Maße reduziert, so dass die Dicke der unteren Rückplatte 3 gleichmäßig bleibt.Again, the upper surface forms 7 of the substrate 5 comprising silicon, the stop layer for the chemical mechanical polishing step. In addition, the second sub-layer includes 3b the lower back plate 3 Polysilicon, which has a very low polishing rate. Accordingly, it forms a quasi-stop layer because its polishing rate is significantly lower than the polishing rate of the planarization layer 16 , This improves the layer thickness control due to the large area of the stop layers. Specifically, the thickness of the second sub-layer becomes 3b the lower back plate 3 reduced only slightly, leaving the thickness of the lower back plate 3 remains even.

8 zeigt das Wandlerelement 1, nachdem ein weiterer Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Hier ist eine Opferoxidschicht 17 über der unteren Rückplatte 3 und dem Substrat 5 abgeschieden. Die Opferoxidschicht 17 wird durch plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung oder durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung abgeschieden. Anschließend kann ein optionaler Temperschritt ausgeführt werden. 8th shows the transducer element 1 after another manufacturing step has been performed. Here is a sacrificial oxide layer 17 over the lower back plate 3 and the substrate 5 deposited. The sacrificial oxide layer 17 is deposited by plasma assisted chemical vapor deposition or by low pressure chemical vapor deposition. Subsequently, an optional annealing step can be carried out.

Ferner wurde im Herstellungsschritt die Membran 2 über der Opferoxidschicht angeordnet. Die Membran umfasst den oben beschriebenen Stapel aus mehreren Teilschichten 2a, 2b, 2c. Der Schritt des Abscheidens der Membran 2 kann ferner Temperschritte beinhalten.Further, in the manufacturing step, the membrane 2 arranged above the sacrificial oxide layer. The membrane comprises the above-described stack of several partial layers 2a . 2 B . 2c , The step of separating the membrane 2 may further include annealing steps.

Zudem zeigt 9 das Wandlerelement 1, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Die Membran 2 wurde strukturiert. Insbesondere wurden Teile der Membran 2 entfernt. Zudem wurde eine Öffnung 18 in der Membran 2 angeordnet, die in einem späteren Herstellungsschritt für das erste Kontaktpad 10 verwendet wird. Die Membran 2 wird in Abhängigkeit von der benötigten Struktur unter Verwendung einer oder zweier Maskenschichten strukturiert.In addition shows 9 the transducer element 1 after a next manufacturing step has been performed. The membrane 2 was structured. In particular, parts of the membrane became 2 away. There was also an opening 18 in the membrane 2 arranged in a later manufacturing step for the first contact pad 10 is used. The membrane 2 is patterned depending on the required structure using one or two mask layers.

Zudem wurde eine zweite Opferoxidschicht 19 auf die strukturierte Membran 2 abgeschieden. Die zweite Opferoxidschicht 19 wird durch plasmaunterstütze chemische Gasphasenabscheidung oder durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung abgeschieden. Optional kann ein Temperschritt ausgeführt worden sein.In addition, a second sacrificial oxide layer 19 on the structured membrane 2 deposited. The second sacrificial oxide layer 19 is achieved by plasma assisted chemical vapor deposition or deposited by low pressure chemical vapor deposition. Optionally, an annealing step may be performed.

Ferner wurde die obere Rückplatte 4 oberhalb der zweiten Opferoxidschicht 19 angeordnet. Die obere Rückschicht 4 umfasst in situ p-dotiertes Polysilicium. Die obere Rückplatte 4 weist eine Dicke im Bereich von 2 µm bis 4 µm auf. Die obere Rückplatte 4 weist eine Eigenspannung im Bereich von 250 bis 350 MPa auf. Die obere Rückplatte 4 wird unter Verwendung von chemischer Niederdruckgasphasenabscheidung abgeschieden. Ferner kann das Abscheiden der oberen Rückplatte 4 Temperschritte beinhalten.Further, the upper back plate became 4 above the second sacrificial oxide layer 19 arranged. The upper backsheet 4 comprises in situ p-doped polysilicon. The upper back plate 4 has a thickness in the range of 2 microns to 4 microns. The upper back plate 4 has an internal stress in the range of 250 to 350 MPa. The upper back plate 4 is deposited using low pressure chemical vapor deposition. Further, the deposition of the upper back plate 4 Include tempering steps.

Weiterhin wurde die obere Rückplatte strukturiert. Insbesondere sind Schalleingangsöffnungen 20 in der oberen Rückplatte 4 gebildet.Furthermore, the upper back plate was structured. In particular, sound entry openings 20 in the upper back plate 4 educated.

10 zeigt das Wandlerelement, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Kontaktlöcher 21 wurden in die zweite Opferoxidschicht 19 geätzt. Das erste Kontaktpad 10 der unteren Rückplatte 3, das zweite Kontaktpad 11 der Membran 2 und das dritte Kontaktpad 12 des Substrats 5 werden jeweils in einem der Kontaktlöcher 21 angeordnet. 10 shows the transducer element after a next manufacturing step has been performed. vias 21 were in the second sacrificial oxide layer 19 etched. The first contact pad 10 the lower back plate 3 , the second contact pad 11 the membrane 2 and the third contact pad 12 of the substrate 5 are each in one of the contact holes 21 arranged.

11 zeigt das Wandlerelement, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Hier werden die Kontaktpads 10, 11, 12, 13 erzeugt. Jedes der Kontaktpads 10, 11, 12, 13 umfasst die Legierung AlSiCu. Insbesondere weisen die Kontaktpads 10, 11, 12, 13 eine Dicke im Bereich von 1,0 µm bis 2,0 µm auf. 11 shows the transducer element after a next manufacturing step has been performed. Here are the contact pads 10 . 11 . 12 . 13 generated. Each of the contact pads 10 . 11 . 12 . 13 includes the alloy AlSiCu. In particular, the contact pads 10 . 11 . 12 . 13 a thickness in the range of 1.0 microns to 2.0 microns.

12 zeigt das Wandlerelement 1, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde. Hier wurden Unterkontaktmetallisierungen 22 auf jedem der Kontaktpads 10, 11, 12, 13 gebildet. Die Unterkontaktmetallisierung 22 umfasst Ni-P und Au. Die Unterkontaktmetallisierung 22 umfasst eine 3 µm bis 5 µm dicke Schicht aus stromlosen NiP und eine 50 nm bis 100 nm dicke Schicht aus stromlosen Au. Die Unterkontaktmetallisierung 22 wird zum Kontaktieren der Kontaktpads 10, 11, 12, 13, z.B. zum Löten, verwendet. 12 shows the transducer element 1 after a next manufacturing step has been performed. Here were under contact metallizations 22 on each of the contact pads 10 . 11 . 12 . 13 educated. The under contact metallization 22 includes Ni-P and Au. The under contact metallization 22 comprises a 3 μm to 5 μm thick layer of electroless NiP and a 50 nm to 100 nm thick layer of electroless Au. The under contact metallization 22 is used to contact the contact pads 10 . 11 . 12 . 13 , eg for soldering.

13 zeigt das Wandlerelement, nachdem ein nächster Herstellungsschritt ausgeführt wurde, in dem das Substrat 5 ausgedünnt wird. Insbesondere reduziert der Schritt des Ausdünnens des Substrats 5 die Dicke des Substrats 5 auf 500 µm oder weniger. Das Substrat wird durch ein Schleifverfahren ausgedünnt. Der Schleifschritt beinhaltet 1000 bis 2000 Schliffe. Es wird eine Schleifscheibe verwendet, wobei eine finale Körnungsgröße so gewählt wird, dass sie der geschliffenen Oberfläche eine angemessene Druckspannung zuführt, um die Waferwölbung auf einen niedrigen Wert auszugleichen. Insbesondere kann die tatsächliche Schleifscheibenkörnungsgröße im Bereich von 1000–3000 liegen. Jedoch darf die Körnungsgröße nicht so niedrig sein, dass zu viel Rauigkeit zur Oberfläche hinzugefügt wird. Es ist die Beschädigung der oberen Schicht, die eine dünne Druckschicht zur Oberfläche hinzufügt. 13 shows the transducer element after a next manufacturing step has been performed, in which the substrate 5 is thinned out. In particular, the step of thinning the substrate reduces 5 the thickness of the substrate 5 to 500 μm or less. The substrate is thinned by a grinding process. The grinding step involves 1000 to 2000 passes. A grinding wheel is used wherein a final grit size is selected to provide the ground surface with an adequate compressive stress to balance the wafer curl to a low value. In particular, the actual grinding wheel grain size may be in the range of 1000-3000. However, the grain size must not be so low that too much roughness is added to the surface. It is the upper layer damage that adds a thin print layer to the surface.

Zudem wird ein Teil des Substrats 5, z.B. durch Ätzen, entfernt. Dementsprechend wird der Hohlraum 23 gebildet. Der Hohlraum 23 wird so gebildet, dass die untere Rückplatte 3 im Hohlraum 23 angeordnet ist. Insbesondere umfasst der Hohlraum 23 einen Teil, der unterhalb der unteren Rückplatte 3 angeordnet ist, und ferner umfasst der Hohlraum 23 die Aussparung 6.In addition, a part of the substrate 5 , eg by etching, removed. Accordingly, the cavity becomes 23 educated. The cavity 23 is formed so that the lower back plate 3 in the cavity 23 is arranged. In particular, the cavity comprises 23 a part that is below the lower back plate 3 is arranged, and further comprises the cavity 23 the recess 6 ,

In der in 13 gezeigten Herstellungsphase weist das Wandlerelement 1 aufgrund der Druckspannung, die durch die große Menge von druckgespanntem Oxid ausgeübt wird, das auf der oberen Oberfläche 7 des Substrats 5 angeordnet ist, eine konvexe Form auf.In the in 13 shown manufacturing phase, the transducer element 1 due to the compressive stress exerted by the large amount of stress-strain oxide on the top surface 7 of the substrate 5 is arranged on a convex shape.

Nachdem ein letzter Herstellungsschritt ausgeführt wurde, ist das Wandlerelement 1 wie in 14 gezeigt hergestellt. Im letzten Herstellungsschritt werden Teile der Opferoxidschichten 17, 19 entfernt, wodurch die Membran 2 und die Rückplatten 3, 4 freigegeben werden, so dass die Membran 2 jetzt relativ zu den Rückplatten 3, 4 bewegt werden kann.After a final manufacturing step has been performed, the transducer element is 1 as in 14 shown produced. In the last manufacturing step, parts of the sacrificial oxide layers become 17 . 19 removed, causing the membrane 2 and the back plates 3 . 4 be released, leaving the membrane 2 now relative to the backplates 3 . 4 can be moved.

Die obere Oberfläche 7 des Substrats 5 ist von großen Teilen der Opferoxidschicht 17, 19 befreit. Dementsprechend wird weniger Druckspannung auf die obere Oberfläche 7 ausgeübt. Dementsprechend verwandelt sich die obere Oberfläche 7 von einer druckausübenden, konvexen Form in eine zugausübende oder konkave Form. Insbesondere weist das Polysilicium eine Zugspannung auf, die jetzt stärker als die Druckspannung des verbleibenden Oxids ist.The upper surface 7 of the substrate 5 is from much of the victim oxide layer 17 . 19 freed. Accordingly, less compressive stress is applied to the upper surface 7 exercised. Accordingly, the upper surface is transformed 7 from a compressive, convex shape to a tensile or concave shape. In particular, the polysilicon has a tensile stress which is now stronger than the compressive stress of the remaining oxide.

In dieser Phase des Herstellungsprozesses ist ein Gleichgewicht zwischen der Zug- und der Druckspannung hergestellt, die von den verschiedenen Schichten ausgeübt werden, so dass die Wölbung auf ein Minimum reduziert ist.At this stage of the manufacturing process, a balance is created between the tensile and compressive stresses exerted by the various layers so that the arching is minimized.

Anschließend kann ein Testschritt des Wandlerelements 1 ausgeführt werden.Subsequently, a test step of the transducer element 1 be executed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Wandlerelement transducer element
22: Membran membrane
2a2a: erste Teilschicht der Membran first sub-layer of the membrane
2b2 B: zweite Teilschicht der Membran second sub-layer of the membrane
2c2c: dritte Teilschicht der Membran third sub-layer of the membrane
33: untere Rückplatte lower back plate
3a3a: erste Teilschicht der unteren Rückplatte first sub-layer of the lower back plate
3b3b: zweite Teilschicht der unteren Rückplatte second sub-layer of the lower back plate
44: obere Rückplatte upper back plate
55: Substrat substratum
66: Aussparung recess
77: obere Oberfläche des Substrats upper surface of the substrate
88th: obere Oberfläche der unteren Rückplatte upper surface of the lower back plate
99: Isolationsoxidschicht insulating oxide
1010: erstes Kontaktpad first contact pad
1111: zweites Kontaktpad second contact pad
1212: drittes Kontaktpad third contact pad
1313: viertes Kontaktpad fourth contact pad
1414: Schalleingangsöffnung der unteren Rückplatte Sound input opening of the lower back plate
1515: Schicht layer
1616: Planarisierungsschicht Planarization layer
1717: Opferoxidschicht sacrificial oxide layer
1818: Öffnung opening
1919: zweite Opferoxidschicht second sacrificial oxide layer
2020: Schalleingangsöffnung der oberen Rückplatte Sound input opening of the upper back plate
2121: Kontaktloch contact hole
2222: Unterkontaktmetallisierung Unterkontaktmetallisierung
2323: Hohlraum cavity
24 24: untere Oberfläche des Substratslower surface of the substrate

Claims

Transducer element ( 1 ), comprising: a substrate ( 5 ), which has a cavity ( 23 ) extending through the substrate ( 5 ), a back plate ( 3 ) in the cavity ( 23 ) of the substrate ( 5 ), and a membrane ( 2 ), which are relative to the back plate ( 3 ) is movable.

Transducer element ( 1 ) according to claim 1, wherein the substrate ( 5 ) an upper surface ( 7 ) which belongs to the membrane ( 2 ), the backplate ( 3 ) an upper surface ( 8th ) which belongs to the membrane ( 2 ), and wherein the upper surface ( 7 ) of the substrate ( 5 ) and the upper surface ( 8th ) of the back plate ( 3 ) are at the same height.

Transducer element ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the substrate ( 5 ) has a thickness of 500 μm or less.

Transducer element ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein a first contact pad ( 10 ) on the back plate ( 3 ), wherein a second contact pad ( 11 ) on the membrane ( 2 ), and wherein the first and second contact pads ( 10 . 11 ) are at the same height.

Transducer element ( 1 ) according to claim 4, wherein a third contact pad ( 12 ) on the substrate ( 5 ), and wherein the third contact pad ( 12 ) at the same height as the first and the second contact pad ( 10 . 11 ).

Transducer element ( 1 ) according to one of the preceding claims, further comprising an upper back plate ( 4 ), which on the side of the membrane ( 2 ) arranged from the substrate ( 5 ) is turned away.

MEMS microphone, which is a transducer element ( 1 ) according to one of the preceding claims.

Manufacturing method for a transducer element ( 1 ) comprising the following steps: - providing a substrate ( 5 ), - forming a recess ( 6 ) in the substrate ( 5 ), - arranging a back plate ( 3 ) in the recess ( 6 ), - forming a membrane ( 2 ) above the rear plate ( 3 ), so that the membrane ( 2 ) relative to the backplate ( 3 ), and - forming a cavity ( 23 ) extending from a lower surface ( 24 ) of the substrate ( 5 ) separated from the membrane ( 2 ) is turned away, through the substrate into the recess ( 6 ).

The method of claim 8, wherein the step of placing the backplate (10) comprises 3 ) in the recess ( 6 ) comprises the following substep: - depositing an insulation oxide layer ( 9 ), so that the insulation oxide layer ( 9 ) an upper surface ( 7 ) of the substrate ( 5 ), - depositing a layer ( 15 ) configured in a later step of manufacturing the backing plate ( 3 ), so that the layer ( 15 ) an upper surface of the insulating oxide layer ( 9 ), and - removing the layer ( 15 ) and the insulation oxide layer ( 9 ) outside the recess ( 6 ), so that the layer ( 15 ) the back plate ( 3 ).

Method according to claim 9, wherein the layer ( 15 ) and the insulation oxide layer ( 9 ) are removed by chemical-mechanical polishing.

Method according to one of claims 8 to 10, comprising the following steps: - structuring the back plate ( 3 ), - deposition of a planarization layer ( 16 ), so that the planarization layer ( 16 ) the structured backplate ( 3 ) and the upper surface ( 7 ) of the substrate ( 5 ), and - partial removal of the planarization layer ( 16 ), so that an upper surface ( 8th ) of the back plate ( 3 ) and the upper surface ( 7 ) of the substrate ( 5 ) free from the planarization layer ( 16 ) are.

Method according to claim 11, wherein the planarization layer ( 16 ) is partially removed by chemical-mechanical polishing.

Method according to claim 11 or 12, wherein the planarization layer ( 16 ) is deposited by low pressure chemical vapor deposition or by plasma assisted chemical vapor deposition.

Method according to one of claims 8 to 13, comprising the following step: thinning the substrate ( 5 ), what is done after the back plate ( 3 ) and the membrane ( 2 ) and after the back plate ( 3 ) was structured.

The method of claim 14, wherein the substrate ( 5 ) is thinned by a grinding wheel, wherein a grind size of the grinding wheel is selected so that a thin pressure-strained layer on a lower surface of the substrate ( 5 ) is formed.